谐波干扰与抑制

谐波干扰与抑制

（南宁浮法玻璃有限责任公司动力分厂，南宁，530031）

摘要：本文介绍了谐波的产生、危害、传播途径及相应的抑制措施。并以浮法玻璃生产线上的主要谐波源为例，列举了谐波干扰及抑制的实例。

关键词：谐波干扰，谐波危害，干扰途径，抑制措施，实例

0.引言

随着各种电力电子设备的应用日益广泛，大量的谐波电流注入电网，谐波所造成的危害也日趋严重。现在，许多国家都制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规范，把谐波管理做为供配电系统的一项重要管理工作。所以研究和分析谐波的产生、危害和抑制具有重要的实际意义。

1.谐波的产生

凡与电力系统连接并向电网输入50Hz以上频率电流的设备，统称谐波源。谐波叠加在正弦基波上，使基波波形发生畸变。电网谐波主要来源于三个方面：

1.1发电机产生的谐波 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致等原因，发电机磁极磁场并非完全按正弦规律分布，因此感应电动势就不是理想的正弦波，输出电压也就包含一定的谐波。不过由于发电机设计时采取了许多削弱谐波的措施，因此其输出电压的谐波含量很少。

1.2变压器产生的谐波 变压器产生的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。变压器的铁心具有非线性，加上正弦电压时，励磁电流产生波形畸变，谐波成分包含以3、5次谐波为主的奇次谐波，其中3次谐波含量可达额定电流的0.5％。变压器励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度有关，施加于变压器的电压越高，谐波含量急剧增加。注入电网的谐波成分和变压器的连接组别有关，变压器一次侧为△形连接时，3n（n＝1，2，3…）次谐波只在△形绕组内流通，注入电网的只有6K±1（K＝1，2，3…）次谐波。

1.3用电设备产生的谐波

1.3.1晶闸管整流装置产生的谐波 晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下的部分中含有大量的谐波。谐波含量随控制角增大而增大，控制角等于90º时谐波含量最大。如果整流装置为单相全控桥式整流，交流侧含有奇次谐波电流，其中3次谐波含量最大。如果整流装置为三相6脉全控桥式整流，交流侧含有5次及以上奇次谐波电流，12脉整流器含有11次及以上奇次谐波电流，24脉整流器则只含23次及以上奇次谐波电流。可见随着整流相数增加，谐波含量及幅值减少。

1.3.2变频装置产生的谐波 采用SPWM脉宽调制的变频器，逆变器的输出电压接近正弦波，但由于使用载波信号对控制正弦波进行调制，也产生了和载波信号有关的高次谐波分量。SPWM脉宽调制型变频器输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波，其中包含角频率为ωC、2ωC及其附近的谐波，不含低次谐波。变频器输入电流是非正弦波，含有5次及以上频率的奇次谐波。变频器常用于风机水泵等设备，这类设备的功率一般较大，注入电网的谐波含量较大。

1.3.3电弧炉主要用于炼钢。交流电弧炉在运行时，特别是在熔化期，电极端反复短路

与断路，电流发生不规则的变化，从而产生3次谐波为主的谐波电流。

1.3.4并联电容器投入电网后，流入电网的谐波电流不仅由谐波源提供，而且由电容器组提供，因此使流入电网的谐波电流加大，谐波电压加大，加剧电网电压畸变。也即电容器的投入使电网谐波放大。

1.3.5荧光灯、电视机等家用电器产生的谐波 荧光灯的伏安特性是严重非线线的，因此产生以3次谐波为主的谐波电流。电视机、电脑、计算机和调温炊具等家用电器，因其有调压整流装置，也会产生奇次谐波电流。这些家用电器虽然功率小，但数量巨大，也是重要的谐波源之一。

2.谐波的危害

谐波电流和电压的出现，降低了电网电能的质量，给公用电网及用电设备、通讯设备带来严重危害。谐波对公用电网和其他设备的影响主要表现在以下几个方面：

2.1.谐波对电网的危害 谐波使电网电压正弦波发生畸变，降低了电能质量。谐波使输电线路产生附加损耗，使电缆介质损耗和温生增加，加速电缆绝缘老化，缩短电缆寿命。谐波使架空线电压峰值增加产生电晕，引起电晕损耗。谐波使断路器开断能力下降。在居民用电中，大量的三次谐波电流流过中线会引起中线过载、过热，加速绝缘老化乃至损坏，进而发生火灾。

2.2.谐波对电机和变压器的危害 谐波对电机和变压器的影响主要是引起附加损耗和过热，加速绕组绝缘老化，缩短寿命甚至发生损坏。谐波电流产生的脉动转矩会引起电机的机械震动和噪音。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件的发热，并

有可能引起局部过热。谐波还会引起变压器噪声增大。

2.3.谐波引起电网中局部的谐振和谐波电流放大 谐波引起电网中的并联电容器谐振，从而使谐波电流放大，加大了上述2.1和2.2所述的危害。谐振还引起噪音和震动，谐振产生的过电压甚至引起电容器绝缘介质击穿而烧毁。

2.4.谐波对继电保护和测量的影响 谐波影响继电器特性造成误动作，其中对部分晶体管型继电器影响较大。谐波使感应式仪表误差增大而降低仪表的计量准确性。在测量电能时，如果负载不是谐波源，而电网电压含有谐波，则会在负载上产生有害的谐波损耗，用户还要为此多付电费，反之则会因此少付电费。

2.5.谐波对通讯设备的干扰 谐波干扰会引起通讯系统的噪音，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号丢失，甚至发生设备事故。

2.6.谐波对晶闸管整流设备的控制造成影响，引起误触发。

3.谐波干扰途径及抑制措施

3.1电路耦合引起的干扰 即通过相关电路传播谐波干扰信号。

3.1.1.传播途径

（1）通过电源网络传播 这是谐波源输入侧谐波电流注入电网的主要传播方式。注入电网的谐波电流将使电网电压正弦波产生畸变，影响其他用电设备的工作，传播途径如下图虚线①所示。

（2）通过漏电流传播 这是谐波源输出侧谐波电压干扰信号的主要传播方式。因为输出线路与大地之间或地线之间存在着分布电容，所以谐波源输出的高频谐波电压通过分布电容流入大地的漏电流是比较可观的。这些高频漏电流又通过地线而传播到其他设备，如上图中的虚线②所示。

3.1.2.抗干扰方法

（1）在谐波源的输入侧电路接入交流电抗器，是抑制谐波电流注入电网的最直接有效而经济的方法。对受干扰用电设备，一般在其进线电源侧接入LC滤波器即能有效地抑制窜入电源的谐波，或接入有源电力滤波器进行跟踪补偿。

（2）对耗电量较小的精密仪器设备，其电源通过隔离变压器和电网隔离，以防止电网的谐波窜入仪器。这是较有效的电源隔离法。

（3）研制设计大功率整流设备时，增加整流相数，可显著降低整流器的谐波含量。由上述谐波分析可知，整流相数增加，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般晶闸管整流装置为三相6脉整流，为了降低谐波电流，可以选用三相12脉整流器。因其只含11次及以上奇次谐波，幅值大大降低，干扰也就大大降低。

（4）在补偿电容器回路中串联电抗器消除谐波谐振。感抗值的选择应满足在任何谐波下，XLn≠XCn，从而消除产生谐振的可能。

(5)采用Dyn11系列电力变压器，可以抑制注入电网的谐波含量。Dyn11型变压器一次侧采用△形连接，可以为3n（n＝1，2，3…）次谐波提供通路，使磁通和电动势接近正弦波。3n次谐波（主要为3次）只在△回路中流通，而不注入电网。流入电网的只有6K±1（K=1,2,3…）次谐波，幅值大大降低。

3.2.感应耦合引起的干扰 当谐波源的输入、输出电路与其他设备的电路挨得很近时，高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其他设备中去。

3.2.1.干扰途径

（1）电磁感应方式 这是电流干扰信号的主要传播方式。由于谐波源的输入、输出电流中的谐波分量要产生高频磁场，其磁力线穿过其他设备的控制线路而产生感应干扰电流。

（2）静电感应方式 这是电压干扰信号的主要传播方式。谐波源输出的高频谐波电压通过线路的分布电容传播给其他设备。

3.2.2.抗干扰方法

（1）合理布线 干扰信号的大小与受干扰控制线和干扰源之间的距离的平方成正比，因此设备的各种控制线应尽量远离谐波源的输入、输出线。此外，避免设备控制线与谐波源的输入、输出线平行布线（平行时二者的互感及分布电容大，电磁感应和静电感应信号就越大），采用控制线相绞布线（能有效地抑制差模干扰信号。因为两线相绞时，二者中由

电磁感应产生的干扰电流是反向的），都能有效地防止谐波干扰。

（2）采用屏蔽线可有效地防止外来干扰信号窜入控制线路。屏蔽线的屏蔽层应两端接地。

3.3电磁辐射引起的干扰

3.3.1．传播途径 频率很高的谐波电流分量具有向空中传播的能力，从而对通讯设备产生干扰。

3.3.2．抗干扰方法 ①在谐波源的输入、输出回路中接入交流电抗器，将十分有效地削弱输入、输出电流中的谐波分量。②正确接地 ：通过接地线把高频谐波信号引入大地。接地时注意谐波电源的地线必须与其他设备的地线分开，分别接地。谐波源地线不能与电源零线相接。

4.谐波干扰及抑制实例

我公司浮法玻璃生产线中的主要谐波源有控制锡槽、退火窑电加热的晶闸管单相全控桥式整流电源，用于风机、水泵和空压机调速节能的变频器，镀膜玻璃生产线上的晶闸管三相全控桥式整流电源。上述谐波源由于功率较大，产生的谐波对电网造成一定的污染。

例1.谐波引起二线制氮变电所并联电容器产生串联谐振 二线制氮变电所采用并联电容器自动跟踪补偿来提高功率因数。运行中我们发现，在如下条件下发生串联谐振：电容柜手动投入2组电容器（2×2×20Kvar），运行1台250KW空压机。谐振时流过电容器的电流急剧上升，引起其控制回路中的热继电器过流保护动作，切断电容器电源。谐振过程

还发生刺耳的电磁噪音。若热继电器拒动，谐振过电压将会引起电容器绝缘介质击穿而烧毁。由于运行一台空压机时电容柜正常运行时自动投入5～7组电容器，所以完全可以避开上述谐振点。上述例子证明了变电所10KV母排上含有谐波电压，接在母排下的变压器n次谐波漏抗（Xtn＝nXt）和变压器二次侧所接的电容器n次谐波电抗（Xcn＝Xc/n）发生串联谐振，谐振原理如下图所示： 由上述等效电路可推算出串联谐振频率： fs＝f

XcXc22XtR

例2.镀膜玻璃生产线上3台150KW的三相6脉全控桥式整流电源，作为镀膜室的溅射电源。由于其功率较大，使用时注入电网的谐波含量较高，有可能影响电网中其他设备的正常工作。从设备供应商提供的资料得知，其近期内安装的5条生产线中就有一条发生过溅射源谐波干扰中控室控制设备的情况。为此，我们采取以下措施消除溅射源谐波干扰：①在溅射电源的交流侧安装交流电抗器，抑制回送电网的高次谐波。②镀膜室阴极通过RC滤波电路接地，把感应到阴极体的谐波干扰信号引入大地。此外，RC滤波电路还具有过压旁路保护作用，防止阴极表面产生有害的电弧。③在中控室进线电源端安装LC滤波器,消除谐波对控制设备（主要是程序控制器）的影响。④在车间低压配电室的电气结线设计上，

采用放射式供电方式，把有谐波干扰设备与无谐波干扰设备分开供电，以减少谐波干扰的影响。在生产线试运行期间，我们对线上控制设备及电机的运行情况进行了检测，结果表明上述措施基本消除了谐波干扰影响。

例3.二级水站2＃水泵采用变频器实现水塔单闭环恒水位控制。在原来的设计中，水位传感器24VDC电源取自变频器，信号电缆采用多芯屏蔽电缆，其中一芯连接传感器水位信号（4～20mA）至变频器I/O输入端，一芯连接24VDC电源至传感器。电缆屏蔽层一端接地，另一端悬空。运行中我们发现这种接线方式给变频器引入了谐波干扰信号及雷电过电压信号，并导致变频器在一次雷击中24VDC电源、I/O模块损坏，变频器电源模块也因主回路串人的雷电过电压烧毁。为此我们采取以下措施解决这个问题：①传感器改用单独的24VDC电源，信号回路接入信号电涌保护器，信号电缆屏蔽层两端接地。屏蔽层两端接地后，流向接地端的干扰电流信号是反向的，可相互抵消。②在变频器输入电源回路接入压敏电阻防止雷电过电压。

5.结语

综上所述，电力电子类设备的使用造成了电网的高次谐波污染，给电网、用电设备带来严重危害。通过使用Dyn11系列电力变压器，在大功率或主要谐波源设备中安装滤波装置，以及研制设计谐波干扰小、功率因素高的整流设备，能有效地抑制谐波干扰的产生。

参考文献

〔1〕王兆安，杨君，刘进军，王跃.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，2005.10第二版

〔2〕张燕宾.变频器应用教程.北京：机械工业出版社，2007.1